摘 要:某超超临界1000MW 机组高温再热器入口集箱刚性吊架螺纹吊杆发生断裂,采用宏 观观察、化学成分分析、硬度测试、室温拉伸性能测试、金相检验、断口分析等方法对其断裂原因进 行分析。结果表明:螺纹吊杆断面附近存在明显颈缩现象,整个断面上均存在蠕变孔洞,蠕变孔洞 长大、聚集并形成蠕变裂纹;炉顶大包内实测温度大幅超过了原设计值,在实测温度下轴向应力计 算值超标,在高温和高应力作用下,在应力集中的牙根部位发生蠕变断裂。

关键词:高温再热器;螺纹吊杆;蠕变断裂;温度测量

中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)02-0031-05

刚性吊架是电站锅炉炉顶集箱系统的重要组成 部分,其承载状态直接影响集箱的应力分布和大小, 应力是导致管道、集箱及相连受热面寿命缩短的重 要原因[1-6]。如果刚性吊架的材料等级偏低,吊架安 装时受力不均、运行时超载,就会发生吊架断裂、集 箱及管座焊缝开裂的事故,从而影响机组的安全生 产、提高维修成本。

某电厂已投入运行10a的1000MW 机组高 温再热器入口集箱的刚性吊架发生断裂,集箱刚性 吊架位于炉顶大包内,刚性吊架除承受常规载荷外, 还承受炉内的高温环境。笔者采用一系列理化检验 方法分析了其断裂原因,为炉顶集箱刚性吊架的安 全运行及维护提供技术支持。

1 理化检验

1.1 宏观观察

某超超临界1000MW 机组高温再热器的左侧 集箱3# ,4# ,5# ,6# ,7# 刚性吊架螺纹吊杆发生断 裂,高温再热器入口集箱的中部向下弯曲变形。采 用激 光 水 平 仪 测 量 集 箱 的 最 大 弯 曲 变 形 量 达 40mm。断口位于大包内小罩下方靠近管夹的螺纹 段,均断裂于牙根部位,断面不平整且较为粗糙,断 口均无宏观缺陷。根据断口表面氧化及颈缩结构特 征,确定最开始断裂的是5# 刚性吊架,因此选取左 侧集箱中部的5# 刚性吊架进行分析。

5# 刚性吊架螺纹吊杆总长度约为5800mm, 中间光杆直径为50mm,两端螺纹长度为300mm, 螺距为3mm,按照 GB/T28703—2012《圆柱螺纹 检测方法》测量螺纹根部的圆弧半径为 0.39~ 0.41mm,圆弧半径符合要求。

宏观检查发现螺纹吊杆外表面呈红褐色(见图 1),且断裂于光杆附近的螺纹根部,断口附近存在颈 缩现象并向一侧弯折,最大颈缩量为11%。断面呈红褐色、表明不平整且粗糙,源区位于螺纹根部表面 且较为平整,终断区位于断口源区对侧且面积较小, 断面未见明显疲劳弧线,断口宏观形貌如图2所示。

1.2 化学成分分析

依据相关标准 GB/T20125—2006《低合金钢 多元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》和 GB/T20123—2006《钢铁 总碳硫含量的测定 高频 感应炉燃烧后红外吸收法》对螺纹吊杆材料进行化 学成分分析,结果如表1所示。由表1可知:螺纹吊 杆的各项化学成分均符合 ASTM A182—2020《高 温用锻制或轧制合金钢公称管道法兰、锻制管配件、 阀门和零件》标准的相关要求。

1.3 室温拉伸性能测试

在螺纹吊杆远离断口部位和断口部位附近分别 截取2个轴向拉伸试样,依据 GB/T228.1—2021 《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》对 螺纹吊杆试样进行室温拉伸性能测试,结果如表2 所示。由 表 2 可 知:各 试 样 的 拉 伸 性 能 均 满 足 ASTM A182—2020对F12钢1级的要求。

1.4 硬度测试

在螺纹吊杆基体部位分别截取4个硬度试样, 依据GB/T4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分:试验方法》,使用维式硬度计进行硬度测 试,检测载荷设定为98N,持续时间为15s,依据 GB/T33362—2016《金属材料 硬度值的换算》将维 式硬度换算为布氏硬度,结果如表3所示。由表3 可知:螺 纹 吊 杆 基 体 各 试 样 的 布 氏 硬 度 均 符 合 ASTM A182—2020对F12钢1级的要求。

1.5 扫描电镜分析

在扫描电镜(SEM)下观察螺纹吊杆的断裂部 位,结果如图3所示。由图3可知:酸洗前螺纹吊杆 断面覆盖有大量的氧化产物;酸洗后螺纹吊杆断面源区未见机械损伤等缺陷;整个断面上存在大量的 蠕变孔洞;断面上未见条带等疲劳特征。

1.6 金相检验

在螺纹吊杆近断口径向及轴向分别截取试样9 及试样10,在远离断口位置轴向截取试样11,依据 GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测 定 标准评级图显微检验法》进行非金属夹杂物检 测,依据 GB/T6394———2017《金属平均晶粒度测 定方法》进行晶粒度评级,依据 GB/T13298—2015 《金属显微组织检验方法》进行金相检验。

试样的非金属夹杂物微观形貌如图4所示,各 类非金属夹杂物含量均小于0.5级,符合标准要求。 各试样的显微组织形貌如图5所示,由图5可知:试 样的晶粒度为7~8级,显微组织为珠光体+铁素 体,符合产品技术要求。

在螺纹吊杆断口附近垂直断面截取1个轴向金 相试样12,在光学显微镜下观察,结果如图6所示。 由图6可知:断面附近存在大量的蠕变孔洞,部分已 于晶界处形成蠕变裂纹;开裂源区及近断面螺纹根 部附近的显微组织均存在明显的晶粒拉长形变、蠕 变裂纹及蠕变孔洞。

2 强度校核分析

刚性吊架的相关设计参数如表4所示,5# 刚性 吊架断裂的螺纹吊杆规格为 M48×3,材料为 F12 钢,设计载荷为113890N,设计工作温度为480℃。

根据设计要求,轴向应力计算值为

式中:σ为轴向拉应力;F 为刚性吊架设计载荷;d 为螺纹根部小径。

强度校核计算结果表明:吊杆螺纹根部的轴向拉应力为72.4 MPa,小于设计温度下的许用应力 73.9MPa,在许用应力范围内。断面上存在大量的 蠕变孔洞,螺纹吊杆可能存在工作温度偏高的问题, 因此在大包内螺纹吊杆靠近螺纹的光杆上安装了若 干温度测点,监测结果表明,螺纹吊杆的实际最高工 作温度为535 ℃。由 ASME 《锅炉及压力容器规范:第Ⅱ卷D篇》可知,F12钢在535℃时的许用应 力为53.4MPa,在实测工作温度下,螺纹根部轴向 拉应力超过其许用值。

为了掌握螺纹根部截面应力的分布及断裂过程,对断裂段进行有限元分析,沿螺纹根部截面直径方向 的轴向拉应力计算结果如图7所示。由图7可知:螺 纹根部圆周外表面的轴向拉应力最高,由圆周至圆心 快速降低后基本不变,其中根部的最大轴向应力为 160.3MPa,超过了实际工作温度下的屈服强度140.0 MPa,螺纹吊杆于断口附近发生颈缩现象。

3 综合分析

螺纹吊杆的化学成分、硬度、室温拉伸性能、非 金属夹杂物含量、晶粒度及显微组织均符合相关标 准的要求,试样断面源区未见机械损伤。

宏观观察结果表明:螺纹吊杆断裂于光杆附近 的牙根部位,试样断面起伏较大,较为粗糙;断口裂 纹源位于螺纹根部表面,终断区位于断口源区对侧。 断面附近存在明显的颈缩,最大颈缩量为11%,说 明存在超载现象。断面附近均存在蠕变孔洞;断面 上未见弧线或条带等疲劳特征。在运行过程中,螺 纹吊杆在高应力和高温作用下,螺纹根部应力超标, 形成蠕变孔洞,孔洞聚集、长大直至产生裂纹,甚至 发生断裂。此外,现场检查发现,集箱支吊架存在受 力不均现象,部分支吊架超载。

强度校核计算结果表明,螺纹吊杆牙根轴向拉 应力计算结果为72.4MPa,大于实测最高工作温度 时的许用应力40.1MPa;有限元计算结果表明,螺 纹吊杆最大应力位于牙根表面,且超过了其屈服强 度,计算结果与颈缩现象及断口金相检验结果一致, 因此裂纹起源于牙根表面并向中部扩展。

综上所述,在高温和高应力作用下,螺纹吊杆应 力集中部位的螺纹牙根表面产生蠕变裂纹,并向中 部扩展直至断裂。

4 结论

(1)螺纹吊杆的化学成分、硬度、室温拉伸性能、非金属夹杂物含量、晶粒度及显微组织均符合相 关规定;断面源区未见机械损伤等缺陷;在高温及大 拉力作用下,在牙根截面产生蠕变孔洞,随着蠕变孔 洞的长大与聚集,最终形成蠕变裂纹。

(2)螺纹吊杆实测温度大幅超过了原设计温 度,因牙根表面应力超过其屈服强度,产生蠕变裂 纹,裂纹逐渐向中部扩展直至断裂。

(3)建议根据实测温度,对炉顶各集箱支吊架 进行强度校核计算,将超标的部件材料等级提升或 规格增大;改善燃烧方式,避免结焦;按照相关规程 要求,定期对集箱支吊架进行检验与优化调整,使支 吊架正常承载。

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<文章来源>材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 2期 (pp:31-35)>